CN113745562A - 一种用于pemfc的阴极流场板、双极板及pemfc - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于PEMFC的阴极流场板、双极板及PEMFC，包括阴极流场板本体；若干气体流道间隔平行设置在阴极流场板本体的其中一个表面，若干冷却水流道间隔平行设置在阴极流场板本体的另一个表面；气体流道与冷却水流道一一对应设置；每个气体流道的截面积沿气体流动方向呈周期性变化；气体流道的每个截面积变化周期内，包括依次连通的突缩段、突扩段及气体直流段；相邻突缩段与突扩段的连接处形成气体流道咽喉，相邻气体流道上的气体流道咽喉交错设置；本发明通过周期性的气体流道咽喉，有效强化了对流传质性能；将相邻气体流道上的气体流道咽喉交错设置，有利于脊下多孔介质内积水的排出，有效提高了电池的输出性能。

Description

一种用于PEMFC的阴极流场板、双极板及PEMFC

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种用于PEMFC的阴极流场板、双极板及PEMFC。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)作为一种直接将化学能转化为电能的高效能量转换设备，被广泛应用于便携式设备、交通及固定发电等领域。PEMFC单电池包括流场板、气体扩散层(Gas Diffusion Layer，GDL)和膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)；其中，流场板(又称双极板)约占电池总成本的1/3，主要作用为隔离阴阳极反应物、提供膜电极支撑、收集反应电流、分配反应气体和导出反应热量和生成的水；根据流场板的制作材料划分，可以分为纯石墨双极板、金属双极板和复合双极板三大类。

当前，商业化的燃料电池堆中，纯石墨双极板由于加工效率低、功率密度低等缺点，已逐渐被市场所淘汰；而金属双极板和复合双极板成为两种主要的技术手段，常见的水冷燃料电池流场板中包含了阳极燃料流道、阴极空气流道和冷却水流道；这种“一板三流场”的构造，由阴极板和阳极板组装得到；其中，阴极板两侧都有流道沟槽，分别是阴极气体流道和冷却水流道，而阳极板仅有一侧存在流道沟槽。

相对于阳极氢气发生的氧化反应，阴极一端的反应动力学极为缓慢，阴极氧气的扩散系数较阳极氢气也低约一个数量级，且化学反应产生的水主要从阴极侧排出，因此，改善阴极侧流场的传质排水成为流场板设计的关键内容；流场板上流道结构的设计对其传质和排水的影响显著，较好的流场板结构一方面能够促进反应气体进入气体扩散层，从而较快到达催化层中的反应位点；另一方面，可以快速排出从多孔介质中溢出的液态水，防止堵塞反应气体向多孔电极中的传输；一个良好的流场板设计是实现质子交换膜燃料电池高性能输出的关键；除气体外，冷却水是带走电池产热主要媒质，一个合理的冷却水流道设计能够提高换热能力，在相同流量下，带走更多电池产热，更好的控制电池温度。

目前，商用流场板中，对气体流道设计多为二维平面内的设计，如常见的平行流道、蛇形流道或交指形流道等；在此类型的流场板中，气体主要依靠浓度差导致的扩散作用由流道中进入多孔电极，传质性能较差；尤其是在高电流密度下，反应物往往不能及时输送至多孔电极反应位置，造成电池性能急剧衰减；另外，目前常见的流道多为矩形直通道结构，沿流动方向流道横截面积不发生变化，由气体扩散层中排到流道中的水滴往往在气体扩散层表面以恒定状态运动，直至吹扫出流道；停留在气体扩散层表面的液滴会减小反应气体向多孔电极中扩散的有效面积，从而进一步恶化了传质过程。

关于冷却水流场板的设计，目前冷却水流道也多为矩形直通道，冷却水在其中流动时，换热能力有限；在设计气体流道和冷却水流道时，需综合考虑二者在同一块板上加工所带来的结构强度问题；考虑到流场板的厚度，当前的设计对冷却水流场改进空间很小。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种用于PEMFC的阴极流场板、双极板及PEMFC，以解决现有的平行直流道流场板中，气体流道的传质性能较差，易造成电池性能急剧衰减的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种用于PEMFC的阴极流场板，包括阴极流场板本体、若干气体流道及若干冷却水流道；若干气体流道间隔平行设置在阴极流场板本体的其中一个表面，若干冷却水流道间隔平行设置在阴极流场板本体的另一个表面；气体流道与冷却水流道一一对应设置；

每个气体流道的截面积沿气体流动方向呈周期性变化；气体流道的每个截面积变化周期内，包括依次连通的突缩段、突扩段及气体直流段；相邻突缩段与突扩段的连接处形成气体流道咽喉，相邻气体流道上的气体流道咽喉交错设置。

进一步的，每个冷却水流道的截面积沿冷却水的流动方向呈周期性变化；冷却水流道的每个截面积变化周期内，包括依次连通的扩张段、收缩段及冷却水直流段；相邻扩张段与收缩段的连接处形成冷却水流道扩张口，相邻冷却水流道上的冷却水流道扩张口交错设置。

进一步的，气体流道中的气体流道咽喉与其对应的冷却水流道中的冷却水流道扩张口一一对应设置。

进一步的，冷却水流道中的扩张段、收缩段及冷却水直流段的截面形状相同；其中，扩张段的截面积沿气体的流动方法呈线性渐扩设置，收缩段的截面积沿气体的流动方向呈线性渐缩设置。

进一步的，气体流道中的突缩段、突扩段及气体直流段的截面形状相同；其中，突缩段的截面积沿气体的流动方向呈线性渐缩设置；突扩段的截面积沿气体的流动方法呈线性渐扩设置。

进一步的，气体流道的流道壁面为亲水壁面。

进一步的，亲水壁面的接触角小于80°。

本发明还提供了一种PEMFC的双极板，包括阳极流场板及阴极流场板；阳极流场板与阴极流场板相连；阳极流场板上设置有若干间隔排列的燃料气体通道；阴极流场板采用所述的一种用于PEMFC的阴极流场板。

本发明还提供了一种PEMFC，包括若干电池元件，若干电池元件堆叠设置；电池元件包括依次堆叠设置的阳极流场板、阳极气体扩散层、质子交换膜、阴极气体扩散层及阴极流场板；所述阴极流场板采用所述的一种用于PEMFC的阴极流场板。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种用于PEMFC的阴极流场板，通过在气体流道的截面积变化周期内，设置依次连通的突缩段、突扩段及气体直流段，并在相邻突缩段与突扩段的连接处形成气体流道咽喉，气体流道咽喉处的流道截面积降低，流道高度及宽度变小，能够强迫反应气体进入阴极气体扩散层，利用浓差扩散原理，有效强化了对流传质性能，加快反应气体反应点位的传递；同时，利用气体流道咽喉，对气体流道内的反应气体进行扰动，高速气流在经过气体流道咽喉后形成气流漩涡，进一步提高了传质效率；将相邻气体流道上的气体流道咽喉交错设置，使得相邻两个平行的气体流道间沿流动方向对应位置存在压力梯度；反应气体在压力梯度作用下，会由高压流道流出，穿过脊下的气体扩散层，流入低压流道，形成横向流动，即脊下流动，促进反应物向阴极气体扩散层中的传递，提高了多孔电极中反应物的浓度，有利于脊下多孔介质内积水的排出，有效提高了电池的输出性能。

进一步的，在冷却水流道的每个截面积变化周期内，设置依次连通的扩张段、收缩段及冷却水直流段，相邻扩张段与收缩段的连接处形成冷却水流道扩张口；冷水水流道扩张口能够引起冷却水形成涡流，能够显著提高冷却水与阴极流场板本体间的对流换热系数，有效改善了电池的热管理。

进一步的，在阴极流场板本体两个表面上，将设置在气体流道与冷却水流道中的气体流道咽喉与冷却水流道扩张口一一对应设置，采用在气体流道咽喉位置的引起的阴极流场板本体厚度的相对增加，引入冷却水流道扩张口，确保了阴极流场板的结构强度不因冷却水流道渐扩设置而降低；同时，在冷却水流道上设置局部扩张结构，使得冷却水换热过程得到强化。

进一步的，将气体流道的壁面设置为亲水壁面，有利于传质排水过程；考虑反应后的液滴在气体流道中的运动排出过程中，由于截面缩窄，运动的液滴接触到亲水壁面的气体流道底面会吸附到流道底面上，脱离气体扩散层表面，实现将气体扩散层表面孔隙露出，有利于反应气体通过孔隙进入催化层中发生反应，进而提高了电池的输出性能。

附图说明

图1为实施例所述的阴极流程板的第一表面结构示意图；

图2为实施例所述的阴极流场板的第二表面结构示意图；

图3为实施例所述的阴极流场板的横剖图；

图4为实施例所述的阴极流场板中的气体流场结构示意图；

图5为实施例所述的阴极流场板中的冷却水流场结构示意图；

图6为实施例所述的阴极流场板中气体流道沿流动方向的截面积的变化曲线图；

图7为实施例所述的阴极流场板中冷却水流道沿流动方向的截面积的变化曲线图。

其中，1阴极流场板本体，2气体流道，3冷却水流道；21气体直流段，22突缩段，23突扩段；31冷却水直流段，32扩张段，33收缩段；201第一气体流道，202第二气体流道，203第三气体流道；301第一冷却水流道，302第二冷却水流道，303第三冷却水流道。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种用于PEMFC的阴极流场板，包括阴极流场板本体1、若干气体流道2及若干冷却水流道3；阴极流场板本体1包括第一表面和第二表面，第一表面和第二表面分别为阴极流场板本体1的正反两个表面。

若干气体流道2间隔平行设置在阴极流场板本体1的第一表面，若干冷却水流道3间隔平行设置在阴极流场板本体1的第二表面；第一表面上的气体流道2与第二表面上的冷却水流道3一一对应设置。

每个气体流道2的截面积沿气体流动方向呈周期性变化，在气体流动2的每个截面积变化周期内，包括依次连通的突缩段、突扩段及气体直流段；其中，气体流道2中的突缩段、突扩段及气体直流段的截面形状相同；气体直流段的截面积沿气体的流动方向保持不变，突缩段的截面积沿气体的流动方向呈线性渐缩设置，突扩段的截面积沿气体的流动方法呈线性渐扩设置；相邻突缩段与突扩段的连接处形成气体流道咽喉。

本发明中，通过在阴极流场板本体1的第一表面上间隔平行设置若干气体流道2，每个气体流道2的截面积沿气体流道方向呈周期性变化；气体流道咽喉处的流道截面积降低，流道高度及宽度变小，能够强迫反应气体进入阴极气体扩散层，利用浓差扩散原理，有效强化了对流传质性能，加快反应气体反应点位的传递；同时，利用气体流道咽喉，对气体流道内的反应气体进行扰动，高速气流在经过气体流道咽喉后形成气流漩涡，进一步提高了传质效率。

本发明中，相邻气体流道2上的气体流道咽喉交错设置；将相邻气体流道上的气体流道咽喉交错设置，使得相邻两个平行的气体流道间沿流动方向对应位置存在压力梯度；反应气体在压力梯度作用下，会由高压流道流出，穿过脊下的气体扩散层，流入低压流道，形成横向流动，即脊下流动，促进反应物向阴极气体扩散层中的传递，提高了多孔电极中气体反应物的浓度，有利于脊下多孔介质内积水的排出，有效提高了电池的输出性能。

每个冷却水流道3的截面积沿冷却水的流动方向呈周期性变化，在冷却水流道3的每个截面积变化周期内，包括依次连通的扩张段、收缩段及冷却水直流段；其中，冷却水流道3中的扩张段、收缩段及冷却水直流段的截面形状相同；冷却水直流段的截面积沿冷却水的流动方向保持不变，扩张段的截面积沿冷却水的流动方向呈线性渐扩设置，收缩段的截面积沿冷却水的流动方向呈线性渐缩设置；相邻扩张段与收缩段的连接处形成冷却水流道扩张口，相邻冷却水流道3上的冷却水流道扩张口交错设置。

本发明中，相邻扩张段与收缩段的连接处形成冷却水流道扩张口，冷却水流道扩张口能够引起冷却水形成涡流，能够显著提高冷却水与阴极流场板本体间的对流换热系数，有效改善了电池的热管理。

本发明的气体流道2与冷却水流道3中，气体流道咽喉与冷却水流道扩张口一一对应设置；通过设置气体流道咽喉，引起阴极流场板本体的厚度相对增加，引入冷却水流道扩张口，确保了阴极流场板的结构强度不因冷却水流道渐扩设置而降低；同时，通过将冷却水流道的扩张设置，使得冷却水换热过程得到强化。

本发明中，气体流道2的壁面为亲水壁面；优选的，亲水壁面的接触角小于80°；将气体流道的流道壁面设置为亲水壁面，有利于传质排水过程；具体的，考虑反应后的液滴在气体流道中的运动排出过程中，由于气体流道咽喉处截面积缩窄，运动的液滴接触到亲水壁面的气体流道底面会吸附到流道底面上，脱离气体扩散层表面，实现将气体扩散层表面孔隙露出，有利于反应气体通过孔隙进入催化层中发生反应，进而提高了电池的输出性能。

本发明还提供了一种PEMFC的双极板，包括阳极流场板及阴极流场板；阳极流场板与阴极流场板相连；阳极流场板上设置有若干间隔排列的燃料气体通道；阴极流场板采用所述的一种用于PEMFC的阴极流场板。

本发明还提供了一种PEMFC，包括若干电池元件，若干电池元件堆叠设置；电池元件包括依次堆叠设置的阳极流场板、阳极气体扩散层、质子交换膜、阴极气体扩散层及阴极流场板；所述阴极流场板采用所述的一种用于PEMFC的阴极流场板；且阴极流场板的一表面与阴极气体扩散层接触，该表面为设置有气体流道的阴极流场板表面；所述的阳极流场板设有若干间隔排列的燃料气体通道。

工作原理：

本发明所述的用于PEMFC的阴极流场板，相对于现有常见的平行直流道流场板，有效改善传质排水效果，提高了电池的极限电流密度，传质极化阻力降低，水淹现象得到改善，高电流密度下电池性能提高；同时，电池冷却效率提高，可实现更加高效的热管理；其中，传质和排水能力的提高与气体流道有关，冷却效率的提高与冷却水流道有关，具体分析如下：

本发明中，对传质性能的提高与气体流道中采用的周期变化设置的气体直流段-突缩段-突扩段结构有关；在气体流道咽喉处，流道高度及宽度降低，强制反应气流向下流入阴极气体扩散层，在浓差扩散存在的同时，这种结构强化了对流传质，加快气体反应物向催化层反应位点的传递；同时，由于气体流道咽喉的存在，引起气体流道内气流的扰动；高速气流经过气体流道咽喉时会形成气流漩涡，有利于传质；除上述单气体流道内传质强化；同时，采用将相邻气体流道上的气体流道咽喉交错设置，使得相邻两个平行的气体流道间沿气体流动方向对应位置存在压力梯度；反应气体在这种压差作用下，会由高压流道流出，穿过脊下的气体扩散层，流入低压流道；这种横向的流动，即脊下流动，促进反应物向扩散层中的传递，提高了多孔电极中反应物的浓度，有利于脊下多孔介质内积水的排出。

本发明中，燃料电池中的液态水最终位于气体流道中，在气体吹扫作用下排出；如前所述，气体流道咽喉的引入使气体流道内气体流速明显提高，进出口压降增大，液滴受到的气流剪切力、压差力均增大，促进液滴的快速排出。

本发明中，将气体流道的壁面设置为亲水壁面，也有利于传质排水过程；考虑液滴在流道中的运动排出过程中，由于气体流道咽喉的截面缩窄，运动的液滴接触到流道底面会吸附到气体流道的底面上，脱离阴极气体扩散层表面，实现将阴极气体扩散层表面孔隙露出，有利于反应气体通过孔隙进入催化层中发生反应。

本发明中，对冷却能力的提高主要与冷却水流道中周期变化设置的冷却水直流段-扩张段-收缩段结构有关，即实现局部扩张设计；传统流场板中，气体流道和冷却水流道均为直通道，位于同一极板的正反两个表面；考虑极板厚度和结构强度，冷却水流道无法进一步增加强化传热结构；在本发明中，利用气体一侧缩窄位置引起极板厚度的相对增加，在冷却水流道中引入局部扩张结构，保证了极板的结构强度不会因为局部厚度减薄而降低；同时局部扩张的存在，使冷却水换热过程得到了强化。

实施例

如附图1-5所示，本实施例提供了一种用于PEMFC的阴极流场板，包括阴极流场板本体1、若干气体流道2及若干冷却水流道3；阴极流场板本体1包括正反两个表面，分别记为第一表面及第二表面。

若干气体流道2间隔平行设置在阴极流场板本体1的第一表面，若干冷却水流道3间隔平行设置在阴极流场板本体1的第二表面；第一表面上的气体流道2与第二表面上的冷却水流道3一一对应设置。

每个气体流道2的截面积沿气体流动方向呈周期性变化，在气体流道2的每个截面积的变化周期内，包括依次连通的突缩段、突扩段及气体直流段；其中，气体流道2中的突缩段、突扩段及气体直流段的截面形状相同；突缩段的截面积沿气体的流动方向呈线性渐缩设置；突扩段的截面积沿气体的流动方法呈线性渐扩设置；相邻突缩段与突扩段的连接处形成气体流道咽喉。

每个冷却水流道3的截面积沿冷却水的流动方向呈周期性变化，在冷却水流道3的每个截面积变化周期内，包括依次连通的扩张段、收缩段及冷却水直流段；其中，冷却水流道3中的扩张段、收缩段及冷却水直流段的截面形状相同；扩张段的截面积沿气体的流动方法呈线性渐扩设置，收缩段的截面积沿气体的流动方向呈线性渐缩设置；相邻扩张段与收缩段的连接处形成冷却水流道扩张口，相邻冷却水流道3上的冷却水流道扩张口交错设置。

为了清楚简要的说明本实施例的原理及结构，本实施例中，以在第一表面上设置三个间隔平行的气体流道及在第二表面上设置三个间隔平行的冷却水流道为例，其中，气体流道及冷却水流道的长度均为50mm。

本实施例中，第一表面上的三个间隔平行的气体流道分别为第一气体流道201、第二气体流道202及第三气体流道203，第一气体流道201与第三气体流道203分别设置在第二气体流道202的两侧。

第一气体流道201与第三气体流道203的结构完全相同，分别包括若干气流单元，若干气流单元沿气体的流动方向依次连通，每个气流单元包括沿气体的流动方向依次连通的气体直流段21、突缩段22及突扩段23；气体直流段21的一端与阴极反应气体的气源连通或与上一气流单元的末端连通，气体直流段21的另一端与突缩段22的大口径端连通，突缩段22的小口径端与突扩段23的小口径端连通，突扩段23的大口径端与下一气流单元的气体直流段连通。

气体直流段21、突缩段22及突扩段23的截面均为矩形结构；其中，气体直流段21的截面积沿气体的流动方向保持不变，突缩段22的截面积沿气体的流动方法呈线性渐缩设置，突扩段23的截面积沿气体的流动方向呈线性渐扩设置；本实施例中，突缩段22与突扩段23的截面积采用在气体直流段21基础上在宽度及高度方向上，向气体流道的中心线方向收缩形成，并在相邻突缩段22与突扩段23的连接处形成气体流道咽喉。

第一气体流道201、第二气体流道202及第三气体流道203的任意一个气流单元中，气体直流段的长度与相邻突缩段22和突扩段23的长度之和相同，第二气体流道202与第一气体流道201或第三气体流道203的结构相似，不同之处在于：

第二气体流道202中的气体流道咽喉与第一气体流道201或第三气体流道203中的气体流道咽喉，沿气体流动方向设置有相位差；即第一气体流道201的任意一个气流单元中的气体流道咽喉与第二气体流道202中对应气流单元中的气体直流段的中点位置对应设置。

本实施例中，第二表面上的三个间隔平行的冷却水流道分别为第一冷却水流道301、第二冷却水流道302及第三冷却水流道303，第一冷却水流道301与第三冷却水流道303分别设置在第二冷却水流道302的两侧；第一冷却水流道301与第一气体流道201上下对应设置，第二冷却水流道302与第二气体流道202上下对应设置，第三冷却水流道303与第三气体流道203上下对应设置。

第一冷却水流道301与第三冷却水流道303的结构完全相同，分别包括若干水流单元，若干水流单元沿冷却水的流动方向依次连通，每个水流单元包括沿气体的流动方向依次连通的冷却水直流段31、扩张段32及收缩段33；冷却水直流段31的一端与上一水流单元的末端连通，冷却水直流段31的另一端与扩张段32的小口径端连通，扩张段32的大口径端与收缩段33的大口径端连通，收缩段33的小口径端与下一水流单元的冷却水直流段连通。

冷却水直流段31、扩张段32及收缩段33的截面均为矩形结构；其中，冷却水直流段31的截面积沿冷却水的流动方向保持不变，扩张段32的截面积沿气体的流动方法呈线性渐扩设置，收缩段33的截面积沿冷却水的流动方向呈线性渐缩设置；本实施例中，扩张段32及收缩段33的截面积采用在冷却水直流段31基础上，在高度方向上扩张或收缩形成，并在相邻扩张段32与收缩段33的连接处形成冷却水流道扩张口。

第一冷却水流道301、第二冷却水流道302及第三冷却水流道303的任意一个水流单元中，冷却水直流段的长度与相邻扩张段32和收缩段33的长度之和相同，第二冷却水流道302与第一冷却水流道301或第三冷却水流道303的结构相似，不同之处在于：

第二冷却水流道302中的冷却水流道扩张口与第一冷却水流道301或第三冷却水流道303中的冷却水流道扩张口，沿冷却水流动方向设置有相位差；即第一冷却水流道301的任意一个水流单元中的冷却水流道扩张口与第二冷却水流道302中对应水流单元中的冷却水直流段的中点位置对应设置。

本实施例中，第一冷却水流道301中的冷却水流道扩张口与第一气体流道201中的气体流道咽喉上下对应设置，第二冷却水流道302中的冷却水流道扩张口与第二气体流道202中的气体流道咽喉上下对应设置，第三冷却水流道303中的冷却水流道扩张口与第一气体流道203中的气体流道咽喉上下对应设置。

如附图6所示，附图6中给出了阴极流场板中气体流道沿流动方向的流通截面积的变化曲线图；从附图6中可以看出，气体流道中突缩段的截面积沿气体的流动方向呈线性渐缩设置，突扩段的截面积沿气体的流动方法呈线性渐扩设置；第一气体流道201及第三气体流道203中的气体流道咽喉处，即流道的截面积最小的位置相同，且与第二气体流道202的气体直流段的中点位置相对应；通过在气体流道中引入气体流道咽喉，可使得气体局部流速增大，加快液滴的排出，局部形成气流扰动，产生涡流，有效强化传质；倾斜下压的流道壁面，可直接对气体产生向下引导的对流作用力，迫使更多反应气体流入多孔介质中；在高电流密度下，气体流量高时，这种效果更为显著。

本实施例中，气体流道的截面积缩小的比例需考虑流场性能提升程度、压降要求以及加工水平等因素；气体流道的截面积缩小的比例越大，电池输出性能提升越高，同时造成的流场压降也越大；一个周期内突缩段、突扩段和直流道段的占比及长度需由流场板尺寸、加工水平、性能提升程度等综合确定；气体流过气体流道咽喉会有圧损产生，相邻气体流道间的气体流道咽喉交错布置，可使得相邻气体流道在流动方向上，相同位置压力产生差异；这种压差可促进气体脊下流动，一方面有利于反应物的传输；另一方面，也会气体的对流会将滞留于脊下的液态水吹出多孔介质，促进了水的排出。

如附图7所示，附图7中给出了阴极流场板中冷却水流道沿流动方向的流通截面积的变化曲线图；从附图7中可以看出，冷却水流道中扩张段的截面积沿气体的流动方法呈线性渐扩设置，收缩段的截面积沿气体的流动方向呈线性渐缩设置；第一冷却水流道301及第三冷却水流道303中的冷却水流道扩张口处，即流道的截面积最大的位置相同，且与第二冷却水流道302的冷却水直流段的中点位置相对应。

对于阴极流场板本体第二表面上的冷却水流道来说，其截面积同样发生周期性的变化；这种周期变化需依附于气体流道的结构；具体地说，即在气体流道咽喉的位置，对应的设置冷却水流道扩张口；冷却水流道截面积大的地方，气体流道截面积小，反之亦然；通过在冷却水流道中引入局部扩张，形成涡流，显著提高冷却水与流场板间的对流换热系数；如此设计，充分利用了极板在有限厚度内的结构强化空间，在保证极板结构强度的条件下，能够有效的增强冷却水的散热能力。

本实施例中的阴极流场板，不限定于三个气体流道及三个冷却水流道的情形，可应用与平行多流道的各种流场板中；气体在三个气体流道中的流动方向相同；不同于传统的直流道流场，本实施例中的气体流场在沿流动方向上，流通截面积呈现周期性变化；其中，每个气体流道的截面积变化曲线以20mm为一个周期，每个周期变化内又分为3个区间，即20mm为一个气流单元，每个气流单元包括沿气体的流动方向依次连通的气体直流段、突缩段及突扩段；其中，截面积不变区间即为通常所见的直流道；为便于加工控制，突缩段及突扩段的截面积呈线性变化，且截面形状保持矩形不变；且对于相邻两流道，其截面积变化规律需有半个周期的相位差，即第一气体流道201的截面积最小位置，与第二气体流道202的直流道中间位置相对应；第二气体流道202及第三气体流道203亦如此；此阴极流场板的另一面包含冷却水流道，冷却水流道在气体流道缩窄位置引入高度方向上的局部扩张。

本实施例还提供了一种PEMFC的双极板，包括阳极流场板及阴极流场板；阳极流场板与阴极流场板相连；阳极流场板上设置有若干间隔排列的燃料气体通道；阴极流场板采用上述实施例中所述的一种用于PEMFC的阴极流场板。

本发明还提供了一种PEMFC，包括若干电池元件，若干电池元件堆叠设置；电池元件包括依次堆叠设置的阳极流场板、阳极气体扩散层、质子交换膜、阴极气体扩散层及阴极流场板；所述阴极流场板采用上述实施例中所述的一种用于PEMFC的阴极流场板；且阴极流场板的一表面与阴极气体扩散层接触，该表面为设置有气体流道的阴极流场板表面；所述的阳极流场板设有若干间隔排列的燃料气体通道。

本实施例提供的双极板及PEMFC中相关部分的说明可以参见本实施例所述的用于PEMFC的阴极流场板中对应部分的详细说明，在此不再赘述。

本发明所述的用于PEMFC的阴极流场板，阴极流场板本体上的气体流道和冷却水流道分别位于阴极流场板本体的正反两面；气体流道的截面积沿气体流动方向上，按照突缩段-突扩段-气体直流道段的结构交替出现；冷却水流道的截面积亦非恒定，其按照扩张段-收缩段-冷却水直流段的结构交替出现。

本发明中，气体流道的流道壁面设置为亲水壁面，具有亲水性能，其在液滴排出过程中，液滴运动到气体流道咽喉位置，会接触到流道底面，被吸附至流道表面，脱离气体扩散层表面，防止堵塞气体传输的孔隙通道。

本发明所述的阴极流场板，主要对制约PEMFC性能的阴极流场板中的气体流道和冷却水流道做了改进；通过引入交错周期截面积变化流道，能够有效增强阴极气体流道的传质效果，进而提高反应速率；结合流道的亲水性处理，此结构可提高流道内排水速度，避免液滴堵塞孔隙；并且与之相配合的冷却水流道能够显著提高对流换热系数，改善电池热管理；气体流道的突缩段-突扩段-气体直流段的截面积连续变化，构成一个局部突缩突扩通道，即存在一个局部咽喉位置，截面缩窄处在流道高度和宽度方向尺寸都有减小；相邻流道之间存在周期的相位差，保证相邻流道间咽喉位置沿流动方向相互错开；冷却水流道的扩张段-收缩段-冷却水直流段的截面积连续变化，构成一个局部扩张的流道结构；气体流道或冷却水流道的截面积沿流动方向呈固定规律的周期性变化。

本发明中将阴极流场板两侧表面的冷却水流道和气体流道的位置对应设计，可以将气体流道中的局部缩窄和冷却水流场中的局部扩张组合起来，既能在阴极气体流道引起传质和排水能力的增强，又能在冷却水流道提高换热系数；同时，因为流场板同一位置一面流道凸起，另一面流道凹陷，这样的沟槽设计不会对流场板结构强度造成削弱；对于气体流道：局部缩窄可使得反应气体流速提高，有利于快速排出流道中的液滴；流道底面向气体扩散层一侧的下压收缩，可强迫反应气体进入气体扩散层，引起流道内反应物向多孔介质区域的对流速度；相邻流道将咽喉处交错开来，可使得相邻流道的压力沿流动方向递减规律不同步，相邻流道间形成压力差，从而引起反应气体在压差作用下的脊下流动；对于冷却水流道：局部扩张可引起涡流，显著增强相同冷却水流量下的换热能力。

上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。

Claims (9)

1.一种用于PEMFC的阴极流场板，其特征在于，包括阴极流场板本体(1)、若干气体流道(2)及若干冷却水流道(3)；若干气体流道(2)间隔平行设置在阴极流场板本体(1)的其中一个表面，若干冷却水流道(3)间隔平行设置在阴极流场板本体(1)的另一个表面；气体流道(2)与冷却水流道(3)一一对应设置；

每个气体流道(2)的截面积沿气体流动方向呈周期性变化；气体流道(2)的每个截面积变化周期内，包括依次连通的突缩段、突扩段及气体直流段；相邻突缩段与突扩段的连接处形成气体流道咽喉，相邻气体流道(2)上的气体流道咽喉交错设置。

2.根据权利要求1所述的一种用于PEMFC的阴极流场板，其特征在于，每个冷却水流道(3)的截面积沿冷却水的流动方向呈周期性变化；冷却水流道(3)的每个截面积变化周期内，包括依次连通的扩张段、收缩段及冷却水直流段；相邻扩张段与收缩段的连接处形成冷却水流道扩张口，相邻冷却水流道(3)上的冷却水流道扩张口交错设置。

3.根据权利要求2所述的一种用于PEMFC的阴极流场板，其特征在于，气体流道(2)中的气体流道咽喉与其对应的冷却水流道(3)中的冷却水流道扩张口一一对应设置。

4.根据权利要求2所述的一种用于PEMFC的阴极流场板，其特征在于，冷却水流道(3)中的扩张段、收缩段及冷却水直流段的截面形状相同；其中，扩张段的截面积沿气体的流动方法呈线性渐扩设置，收缩段的截面积沿气体的流动方向呈线性渐缩设置。

5.根据权利要求1所述的一种用于PEMFC的阴极流场板，其特征在于，气体流道(2)中的突缩段、突扩段及气体直流段的截面形状相同；其中，突缩段的截面积沿气体的流动方向呈线性渐缩设置；突扩段的截面积沿气体的流动方法呈线性渐扩设置。

6.根据权利要求1所述的一种用于PEMFC的阴极流场板，其特征在于，气体流道(2)的流道壁面为亲水壁面。

7.根据权利要求6所述的一种用于PEMFC的阴极流场板，其特征在于，亲水壁面的接触角小于80°。

8.一种PEMFC的双极板，其特征在于，包括阳极流场板及阴极流场板；阳极流场板与阴极流场板相连；阳极流场板上设置有若干间隔排列的燃料气体通道；阴极流场板采用如权利要求1-8任意一项所述的一种用于PEMFC的阴极流场板。

9.一种PEMFC，包括若干电池元件，若干电池元件堆叠设置；电池元件包括依次堆叠设置的阳极流场板、阳极气体扩散层、质子交换膜、阴极气体扩散层及阴极流场板；其特征在于，所述阴极流场板采用如权利要求1-8任意一项所述的一种用于PEMFC的阴极流场板。

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